Kara delik = karanlık madde?
Evrendeki maddenin% 85'i Karanlık madde Ama karanlık madde tam olarak nelerden oluşur?
Çoğu fizikçi, karanlık maddenin atom altı parçacıklardan oluştuğuna inanır. Zayıf etkileşimli büyük parçacıklar (WIMP) veya sözde Balta . Bununla birlikte, bu parçacıkları aramaya yönelik onlarca yıllık girişimler her zaman eli boş dönerek başka olasılıklara da kapıyı açtı.
Olası bir kompozisyon Kara delik , Ancak büyük yıldızlar patladığında oluşan sıradan kara delikler değil, erken evrende çok sayıda kara delikler oluştu İlk kara delik .
Ancak insanlar, orijinal kara deliğin varlığı hakkında herhangi bir ipucu bulamadılar. Kozmologlar kara delikler veya karanlık madde hipotezi konusunda karışık fikirlere sahipler. Ancak yerçekimi dalgalarının gözlemlenmesi bu fikri hayata döndürdü.
Yerçekimi dalgası gözleminin kanıtı
2016'da işler değişti. Bu yıl, LIGO-Virgo işbirliği, iki kara deliğin birleşmesinden kaynaklanan ilk yerçekimi dalgası tespitini bildirdi. Bu kara deliklerin kütlesi (yaklaşık 30 güneş kütlesi) yıldız modelinin tahmin ettiğinden biraz daha büyüktür ve dönme hızları beklenenden daha yavaştır, bu yüzden birçok teorisyen orijinal kökenlerini düşünmeye başlar.
LIGO-Başak, birçok kozmologa belki de orijinal kara deliklerin sayısının karanlık maddenin en azından bir kısmını oluşturacak kadar çok büyük olduğunu düşünmeleri için ilham veren iki kara deliğin birleşme sürecini tespit etti. | Resim kaynağı: LIGO / Caltech / MIT / Sonoma State (A. Simonnet)
İlkel bir kara delik yaratmanın temel yöntemi aslında çok basittir: Evrenin ilk zamanlarında bir bölgeye sahip olmanız yeterlidir, yoğunluğu ortalama yoğunluğun yaklaşık iki katıdır ve geri kalanı, yerçekimi doğal olarak tamamlanacaktır.
Bununla birlikte, ilk soru, çok yüksek yoğunluklu bir alan olabilir mi? Kozmik mikrodalga arkaplan radyasyonu (CMB) kanıtları, en azından büyük ölçeklerde, erken evrenin çok tekdüze göründüğünü gösteriyor. Tüm yoğunluk dalgalanmaları kozmik mikrodalga arka plan radyasyonundaki kadar küçükse, o zaman evrenin ilk zamanlarında kara delikler üretilmeyecektir.
Kozmik şişme teorisine göre, Büyük Patlama'dan sonra evrenin genişlemesi hızlandı ve kuantum dalgalanmalarının evrenin büyüklüğüne yükseltilmesine neden oldu.Bu nedenle, en azından büyük ölçeklerde, erken evren çok tekdüze görünüyor, tıpkı kozmik mikrodalga arka plan radyasyonunun kanıtlarının gösterdiği gibi . | Resim kaynağı: NASA
Bununla birlikte, teorisyenler, kozmik mikrodalga arka plan radyasyonunun gözlemleriyle tutarlı olmaya devam ederken, küçük ölçekte büyük yoğunluklu dalgalanmalar üretebilen erken evrenin bazı modellerini tasarladılar.
Parçacık fizikçisi Juan Garcia-Bellido böyle bir model önerdi. Karışık enflasyon (Hibrit enflasyon) modeli. Model, erken evrenin çok sayıda ilkel kara delik üreteceğini ve kütlelerinin geniş bir aralıkta dağıldığını öngörüyor.
Garcia-Bellido, bu kara deliklerin kozmolojideki birkaç önemli sorunu çözebileceğine inanıyor. Örneğin, bazı ilkel kara deliklerin birleşmesi, X-ışını araştırmalarında uzun mesafelerde gözlemlenen çok sayıda süper kütleli kara deliği açıklayabilir; ilkel kara delikler, kozmik kızılötesi arka planda ölçülen dalgalanmalar oluşturmada da rol oynayabilir.
Elbette en heyecan verici olasılık, orijinal kara deliklerin sayısının karanlık maddenin varlığını açıklamaya yeterli olmasıdır. Karışık enflasyon modeline göre Samanyolu, yaklaşık bir trilyon kara delikten oluşan bir okyanusta dolaşıyor olmalıdır. Ancak García-Bellido, uzayda kara delik olasılığı konusunda endişelenmemize gerek olmadığını çünkü o kadar uzaktalar ki güneş sistemimize yaklaşan bir kara delik olasılığı son derece uzak.
Buna rağmen, bu kara delikler, özellikle birbirlerine çarptığında ara sıra çarpışır. Şimdiye kadar LIGO-Başak, 10 güneş kütlesinde kütleli çok sayıda kara deliğin varlığına kanıt sağlayan 5 kara deliğin birleşmesini tespit etti. Ancak bu miktar karanlık maddeyi oluşturmaya yetiyor mu?
Son hesaplamalar, eğer karanlık madde 10 ile 300 güneş kütlesi arasında kütleli kara deliklerden oluşuyorsa, LIGO'nun ilk işlem sırasında yüzlerce kara delik birleşme olayını tespit etmesi gerektiğini gösteriyor. Tersine, birkaç güneş kütlesinin kara delikleri, tüm karanlık maddenin yalnızca% 1'ini oluşturabilir.
Bununla birlikte, bu sınırı aşabilecek bazı senaryolar vardır.Örneğin, kara delikler, yıldızların küme oluşturmasına benzer şekilde, yerçekimi nedeniyle kümeler halinde birleşebilirler. Garcia-Bellido'ya göre, Kara delik grubu içindeki yerçekimi bozuklukları genel birleşme oranını düşürecektir. , Ancak gruplamanın tam etkisi hala aktif bir araştırma alanıdır.
Yerçekimi merceğinin kanıtı
Ne kadar karanlık maddenin kara deliklerden oluştuğuna gelince, araştırmacılar bu sınırı, kozmik mikrodalga arka plan radyasyonundan gelen gözlemsel veriler ve cüce galaksilerden gelen yıldızların yoğunluk dağılımı dahil olmak üzere çeşitli verilere dayanarak belirlerler. En eski kısıtlamalardan biri aramadan geldi Yerçekimi mercekleme etkisi sonucu.
Kütleçekimsel mercekleme etkisi, uzaktaki bir yıldız ile dünya arasından büyük bir kara delik geçtiğinde, kara deliğin yerçekimi alanının dünyaya ulaşan yıldız ışığını bükeceği, böylece yıldızın kısa bir süre parlıyor gibi görüneceği anlamına gelir.
Kütleçekimsel mercek araştırmasının sonuçları, çok küçük kütlelerden 10 güneş kütlesine kadar değişen çok sayıda ilkel kara deliği ortadan kaldırdı. Ancak daha büyük kütleli ilkel kara delikler için, kütleçekimsel merceklemenin yıldızların parlaklığını dalgalandırması için zaman ölçeği onlarca yıl sürebilir, bu da büyük ilkel kara delikleri gözlemlemeyi zor ve imkansız hale getirir.
Bu zorluğun üstesinden gelmek için araştırmacılar, Ia süpernova yazın Yerçekimi mercekleme etkisi. Tip Ia süpernovaları, evrendeki standart mum ışığı olarak bilinir.Bu patlayan yıldızlar, belirli bir parlaklıkta ışık yayarlar ve benzersiz bir şekilde kademeli olarak sönerler. Bir Tip Ia süpernovasını bir yerçekimi merceğinden gözlemlerken, parlaklığı ve karartma hızı, yerçekimsel merceğin olmadığı zamandan farklı olacaktır. Bu şekilde, Tip Ia süpernovalarının kütleçekimsel mercekleme etkisini gözlemleyerek, sıradan yıldızların parlaklığının değişmesini uzun süre beklemeden, büyük bir ilkel kara delik olup olmadığını keşfetmek mümkündür.
Hubble Teleskobu ve Chandrasekha Gözlemevi ile Tip Ia süpernova kalıntılarının karartma sürecini gözlemleyin. | Resim kaynağı: NASA
1.300 süpernovanın gözlem verilerini analiz ettikten sonra, Araştırmacılar anormal bir parlaklık-koyulaşma hızı ilişkisi bulamadılar Bu nedenle şu sonuca vardılar: Kütlesi 0.01 güneşten fazla olan yeterli sayıda ilkel kara deliğin evrendeki tüm karanlık maddeyi oluşturması imkansızdır ve ilkel kara delikler tüm karanlık maddenin en fazla yalnızca% 40'ını oluşturur. .
Kara delikler karanlık maddenin bir bileşeni mi? Eğer öyleyse, oranın sınırı nedir? Araştırmacılar bunun kutuplaşmış bir görünümünü oluşturdu.
New York Üniversitesi'nden Ali-Haïmoud, kara deliklerin karanlık madde olup olmadığını belirlemek veya bu olasılığı dışlamak için henüz çok erken olduğuna inanıyor. Aslında cevap arada bir yerde olabilir. Kara delikler, karanlık maddenin bir kısmını sağlar ve geri kalanı başka parçacıklardan oluşur. Doğanın bize sadece bir tür karanlık madde verecek kadar nazik olacağına inanmak için hiçbir nedenimiz yok.
Referans bağlantısı:
https://physics.aps.org/articles/v11/99
https://physicsworld.com/a/supernovae-reveal-that-primordial-black-holes-cannot-account-for-all-dark-matter/
